水利枢纽工程主要技术研究的论文

2021-06-12 论文

　　摘要：邵武市东关水利枢纽工程是一座采用翻板门活动坝进行泄洪的工程，具有闸孔尺寸大、泄洪能力强、对城区防洪影响小的特点。该文介绍了泄水闸布置，坝体构造、坝体断面、翻板闸门等的有关设计内容，以期为今后在城区建设具有发电、改善水环境、美化城市、促进旅游等综合效益的水利工程提供参考。

　　关键词：水利枢纽溢流闸活动坝翻板闸门

　　1工程基本情况

　　邵武市东关水利枢纽工程是一座集改善环境、蓄水发电、旅游开发为一体的综合利用水利工程，工程采用分期导流、分期施工方式；工程于1999年9月28日开工，一期工程于2000年6月28日完成，二期工程于2004年10月10日完工；工程投入运行以来已产生了良好的经济、社会和环境效益。

　　东关水利枢纽工程位于邵武市东关大桥下游180m处的富屯溪干流上。坝址以上流域面积2748km2，多年平均流量106m3/s,多年平均年径流量33.4亿m3；水库正常蓄水位189.5m，校核洪水位193.41m，总库容935万m3；电站装机容量4.8MW，保证出力900kW，年利用4217h，多年平均发电量2024万kWh。电站接入福建省电网，主要向邵武地区供电，电站建成后进一步促进了地方经济发展。工程为低水头径流式水电站，枢纽主要由活动坝、河床式厂房、升压站等组成。

　　枢纽工程位于城区，为降低邵武城关的防洪压力，经分析比较和论证，采用活动坝为本工程的泄洪建筑物。活动坝是采用一定开度的翻板闸门作为主要挡水结构的一种坝型，共有8孔，安装8扇尺寸为25×5.0m（闸门宽度×挡水高度）的翻板闸门，平时通过闸门不同开度的控制来调节下泄流量，或保持上游库水位在正常蓄水位189.50m；洪水时翻板闸门全部开启，近于消失（当洪水大于设计洪水时活动坝处于水下），保持了天然河道的过水断面，使枢纽具有足够的泄洪能力（坝址处20年一遇洪水位较天然状态仅壅高0.23m），较有效的解决了城区枢纽工程挡水与防洪的矛盾。

　　工程的建成，美化了邵武市区，正常蓄水位189.5m时，相应水库面积1.2km2，枯水期回水长度5.4km，市区河床裸露景象不复存在，形成一个宽阔优美的人工湖。

　　2枢纽布置

　　根据东关水利枢纽工程所处地形、地质、水流条件，施工条件以及运行管理等因素，发电厂房布置在河床左岸，河床中部及右岸布置溢流闸（翻板门活动坝），左、右岸采用混凝土挡墙与岸坡连接，坝顶全长284.9m。

　　拦河坝为低堰溢流闸，坝顶高程191.80m，坝高12.80m，溢流闸全长238.9m，分8孔，每孔净宽25.0m，闸墩内设两个冲淤积导水孔；为使溢流堰不影响行洪，堰顶高程比下游河床略低，采用宽顶堰，高程确定为184.50m；下游消能采用跌流及底流消能，坝顶不设交通桥。

　　溢流闸采用8孔平板翻板工作闸门挡水，翻板工作闸门尺寸25.0×7.07m（宽×高），每扇翻板闸门用2×2000kN液压启闭机操作。工作门上游采用浮式闸门作为检修设施。活动坝闸墩内导水孔闸门尺寸为1.2×1.2m，采用手电二用闸阀进行动水启闭，导水孔进口设拦污栅和检修闸门。翻板闸门在门顶过流时，门顶后侧挂有一道水帘，为使闸门与水帘之间的空间能够补气和排气，在闸门上设有破水器，在闸墩边墙设有通气孔。

　　主厂房总长46.0m，总宽度32.9m，主机段长33.5m，装配场段长12.5m。厂房内安装3台竖井贯流式水轮发电机组，单机容量1.6MW，机组间距11.0m。进水口布置拦污栅、事故检修闸门及进人孔，每台机组设2个进水口，其中拦污栅一道，事故闸门两扇，进水口平台高程190.0m，布置了起吊拦污栅和事故检修闸门的电动葫芦门型构架。

　　3工程主要技术及特点

　　3.1活动坝

　　3.1.1坝体构造

　　（1）坝顶高程：由于活动坝坝顶可以过水和坝顶无交通桥布置要求，考虑在设计洪水标准下技术廊道内不进水，并减少行洪影响，坝顶高程以设计洪水位191.71m加一定超高确定，最终为191.80m。

　　（2）坝内技术廊道：为解决技术廊道液压启闭机油管布置、左右岸交通、检修、通风、排水等，在活动坝底设技术廊道。技术廊道尺寸为2.0×2.7m（宽×高），位于中心桩号为坝下0+014.2m，底部高程181.0m，其下游侧布置排水沟，集水井尺寸3.0×2.0m×1.95m（长×宽×深）。水泵和通风机室设在右岸，翻板闸门液压启闭机的泵站设在左边墩194.6m高程的'平台上。

　　（3）冲砂孔：由于溢流堰堰顶及闸门支铰高程较低，堰后较易淤积，为便于翻板闸门开启，在每个活动坝闸墩均设有冲砂孔（孔口尺寸1.2×1.2m），取压力水通过冲砂孔将堰后底坎沉积淤积物冲掉。

　　（4）坝体分缝止水：考虑活动坝坝体高度及底板厚度不大，基础约束较弱，为降低闸门设计、制造安装难度，降低止水要求和工程造价，借鉴有关工程经验，在溢流闸八孔中部设一道伸缩缝，解决基础不均匀沉降问题。厂坝间、右边墩与集水井之间结构缝、坝体伸缩缝各设一道止水铜片和一道橡胶止水带。

　　3.1.2坝体断面设计

　　（1）坝体基本断面：溢流闸活动坝坝体断面除满足稳定与应力要求外，主要受金属结构布置控制。溢流闸共8孔，每孔净宽25m，闸室底板长26.5m，上下游侧设防渗齿墙，左边墩因启闭机布置要求宽度为5.0m，中墩和右边墩均为4.0m。

　　（2）溢流闸孔口确定：考虑本工程处于城区，洪峰流量大，库区洪水位雍高受限的特点，根据洪水流量，河床地质条件选定具有泄洪能力大的混凝土溢流闸（活动坝、翻板闸门）为泄洪建筑物，洪水全部由溢流闸渲泄。由于本工程处于邵武市区，上游淹没和市区防洪是确定闸孔总净宽的主要影响因素，计算闸孔总净宽时，上游淹没要小，上、下游水位差一般在0.1～0.3m，同时兼顾允许过闸单宽流量、水工建筑物布置和工程造价。通过7种孔口方案的比较，最终选定大孔口方案，布置8孔溢流闸，每孔净宽25m，堰顶高程184.5m（低于原河床高程），在下泄20年一遇设计洪水时，上下游水位差为0.23m。

　　（3）坝后消能防冲：由于翻板闸门的运行特点，活动坝泄洪时，下游流态变化形式与一般闸门不同，且更为复杂；参照国内相关工程经验，按翻板闸门不同开度，下游流态由按跌流与底流相互演变进行消能设计，消力池长15.4m，底板高程180.68m；在跌流不同开度工况下，计算冲坑深度均小于消力池水深，不会影响溢流坝安全。闸门泄水运行中采取合理的调度方式，保证在任何情况下水跌发生在消力池内。

　　3.1.3闸墩拉锚筋

　　活动坝中水荷载通过翻板闸门传至闸墩上，受力点为油缸支座、锁定梁处，而闸门检修时需固定浮动门，此时荷载主要受力点为闸墩上游两侧面的浮动门吊耳，这些部位由于承受荷载较大，在闸门全开时，油缸支座拉力达2130kN，因此上述闸墩局部受拉区须配置扇形受拉钢筋（拉锚钢筋）。

　　3.1.4闸墩侧面翻板门扇形运行区处理

　　翻板门底铰在底坎上，闸门从关闭至卧倒全开的运行轨迹在闸墩侧面形成一扇形区。为了使闸门在不同开度情况下均能正常工作，并保证闸门两侧水封能紧密与闸墩表面接触，以达到止水效果，此扇形区进行一定处理；扇形区闸墩表面要求光滑垂直，表面磨光，喷涂903聚合物改性水泥砂浆，垂直度2/1000，平整度3mm/m，粗糙度2μm。3.1.5基础处理及防渗型式

　　东关水利枢纽坝高较低、水头较小，建基面基岩为强风化顶板，坝基稳定与应力小满足规范要求，坝基设置上下游齿墙后，坝基抗渗也满足要求，坝基不进行固结、帷幕灌浆处理，仅在上下游坝脚处抛填大块石保护，防止水流冲刷和掏空。

　　右坝头采用连续防渗墙防渗，墙顶高程193.47m，延伸长度9.51m；同时在右坝头开挖后，回填一定比例的粘性土以增加坝头的防渗能力。2003年为了进一步防止绕坝渗流危及下游防洪堤基础，在东关大桥至坝址段布置防渗孔，加强防渗处理措施。

　　3.2活动坝段金属结构

　　（1）挡水闸门及启闭

　　挡水闸门布置：活动坝挡水闸门为翻板平面钢闸门，采用向下游倾斜55°角布置方式，为使正常蓄水位时，闸门操作设备不浸水，其操作用的2支液压缸中心线成水平布置在高程190.0m孔口两侧闸墩上，闸门宽度方向两端上游侧设置了两个垂直于面板的三角形支臂，闸门即通过该支臂与液压缸相连接。液压启闭机最大启闭力2×2000kN，最大持住力2×1300kN，工作行程6.3m。每扇翻板闸门均在闸墩上设机械锁定装置，该锁定装置的爪式锁定块通过在闸门三角形支臂上端的一个锁定挡头对闸门进行锁定。活动坝上游采用浮式闸门作为检修设施，其支承跨度25.75m。

　　翻板闸门结构设计：闸门孔口净宽25m，具有闸门跨度大、启闭力大，底部支承和变形控制要求高的特点。为保证闸门整体变形小，运行安全可靠，设计时充分考虑底部支承和闸门启闭时两吊点启闭力差异等情况。每孔闸门底部采用多铰支承布置，共设5个圆柱铰；对闸门进行抗扭计算，使闸门整体具有足够的抗扭刚度。

　　翻板闸门的启闭：闸门开启依靠水压力和闸门重产生的倾倒力矩，此时液压缸只用于持住闸门，泵站的输出压力仅用于开启液压锁定阀，闸门的开启速度采用调节液压系统的调速阀来控制。闸门关闭采用启动液压泵站，通过液压缸提起闸门，关闭孔口，一般情况下分两批交替关门。

　　液压系统的布置：除液压缸为露天布置外，液压泵站和电气设备均设在大坝1#闸墩194.6m高程的启闭房内，油管从泵站经竖井和活动坝底板下的技术廊道通向各液压油缸。

　　（2）导水孔闸门：每个活动坝闸墩均设有冲淤积导水孔，导水孔的进口处设置了一道固定式拦污栅，孔口尺寸为1.9×1.9m，设计水头3m，拦污栅重量约0.4t。导水孔设一道检修门，孔口尺寸为1.2×1.2m；导水孔工作闸门为手电两用蝶阀，直径Ф1.2m，开启压力0.6MPa，重量约3.25t，该蝶阀可进行动水启闭。一般情况下，在开启活动坝翻板闸门时，均应先开启导水孔阀门进行冲淤，以利于翻板闸门的正常运行。

　　3.3水轮发电机组

　　电站为低水头径流式水电站，水头范围为2.1～5.6m，根据工程经验，此水头段宜采用贯流式水轮机，通过灯泡贯流式、轴伸贯流式和竖井贯流式3种机型的技术经济比较，最终选用利于枢纽布置、运行检修、经济合理的竖井贯流式机组，型号为GZSK114-WS-290。水轮机转轮直径2.9m，额定水头4.1m，额定转速125rpm，额定出力1737kW，额定点效率87%；机组安装高程181.3m，吸出高度-2.8m。

　　发电机与水轮机同轴，型号为SFW1600-8/1480，额定容量为1.6MW，额定电压6.3kV，额定电流183A，额定功率因素0.8。

　　4结语

　　邵武东关水利枢纽工程是福建省内第一座采用翻板活动坝进行泄洪的工程，泄水闸采用低坎大孔口布置，具有底坎高程低（略低于下游河床），闸孔尺寸大（宽25m），泄洪能力强，泄洪时上下游水位差小的特点；工程较有效地解决了城区挡水与防洪的矛盾，为城区建设综合利用的水利枢纽工程提供了可行的方案；库区形成人工湖后，可进一步改善邵武市区的水环境，构筑城市的亲水性，促进水利旅游业的发展。

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